CC BY
4УДК 621.789
Пустовойт В.Н
д.т.н., профессор кафедры физическое и прикладное материаловедение Донской Государственный Технический Университет (Россия) Долгачев Ю.В.,
к.т.н., доцент кафедры физическое и прикладное материаловедение Донской Государственный Технический Университет (Россия) Приходько С.В.
Магистрант 2 курса кафедры физическое и прикладное материаловедение Донской Государственный Технический Университет (Россия)
ОБЗОР МЕХАНИЗМОВ ОБРАЗОВАНИЯ ФЕРРОМАГНИТНОЙ ФАЗЫ В НЕФЕРРОМАГНИТНОЙ МАТРИЦЕ
Аннотация: в данной статье рассматриваются механизмы образования зародышей ферромагнитного мартенсита в парамагнитной аустенитной матрице, а так же влияние внешнего магнитного поля на изменения в кинетике мартенситного превращения. Изучены особенности магнитного состояния аустенита, показана зависимость критического размера ферромагнитноупорядоченного нанокластера в парамагнитной матрице аустенита в зависимости от напряженности магнитного поля.
Ключевые слова: мартенсит, зародыш, магнитное поле, ферромагнитные кластеры, закалка.
В настоящее время все чаще используются способы для воздействия на структуру внешней энергией магнитного поля для влияния на механизм и кинетику фазовых переходов с целью получения устойчивых изменений структуры и свойств, полезных для эксплуатации [1-4].
Одним из основных механизмом фазовых превращений в твердом состоянии является - мартенситное превращение [5-7]. Образование зародышей ферромагнитной фазы в парамагнитной матрице и влияние оказываемое внешним магнитным полем на этот процесс будет рассматриваться для случая у^а перехода.
В работе [8] описывается два случая образования ферромагнитной фазы. Рассмотрим их немного подробнее.
Если исходной фазой является железоуглеродистый аустенит, то его парамагнитное состояние в макромасштабе характеризуется полным разупорядочением электронных спинов, при этом свободная энергия минимальна. Изменение магнитных свойств у-фазы связано с самопроизвольным возникновением флуктуаций дальнего ферромагнитного порядка («роев» спинов). «Рои» спинов представляют собой малые (однодоменные) ферромагнитные области, возникающие и аннигилирующие по статическим законам. Эти области называют ферромагнитными клатерами, что подчеркивает их флуктуациионный характер [3].
В работе Ромашева Л.Н. [9] имеются данные о том что, наличие ферромагнитных кластеров в аустените, обусловлено проявлением в микрообъемах с концентрационной неоднородностью (обогащенных атомами ферромагнитных веществ) положительного обменного взаимодействия, приводящего к установлению ферромагнитного порядка при температурах выше точки Кюри аустенита ~ 180К. (или выше Тт^а для сталей, испытывающих при охлаждении у^а превращение с образованием ферромагнитной а-фазы). При этом суперпарамагнитные свойства аустенита рассматриваются как проявление суперпарамагнетизма, обусловленного магнитной неоднородностью вещества вблизи критической температуры (например, точки Кюри или Мн - температура начала превращения аустенита в мартенсит).
При наложении внешнего магнитного поля в результате суперпозиции обменного и магнитного взаимодействий происходит дополнительное упорядочение магнитных моментов, что способствует увеличению устойчивости (времени релаксации) и мгновенной концентрации ферромагнитноупорядоченных участков.
Ферромагнитные кластеры, воспринимая энергию внешнего магнитного поля через магнитострикционные напряжения, изменяют поле упругих сил в микрообъемах атомной решетки матрицы и этим способствуют снижению энергетического барьера для образования зародышевого центра критического размера.
Размер кластера зависит от напряженности магнитного поля. Это объясняется тем, что каждой величине напряженности поля отвечает минимальный размер области со спиновым порядком, способной воспринимать энергию этого поля через магнитострикционные напряжения, что делает эту область возможным зародышем критического размера. Экспериментально определено, что функция Ланжевена, описывающая относительную намагниченность для суперпарамагнитного состояния, оказывается приемлемой для расчетов в интервале напряженностей поля от 0,6 до 23,7 МА/м.) Это связано с тем что, существует минимальный критический размер кластера ~ 0,66 нм. При меньших размерах однодоменная область становится неустойчивой, т.е. обменные силы в этом случае не способны поддерживать спонтанную намагниченность и магнитное упорядочение. При напряженности поля меньше 0,6 МА/м определение размера кластера становится нереальным из-за гиперболического характера функции Ланжевена. На рис. 1 показана зависимость размера кластера от напряженности магнитного поля.
d, им
2,5 I-
d„„,=0,66
1,5
2
0,5
0
-0,5
-1
О
510' 1-10' 1,5-10* 2-10' 2.5 10' Н, АУм
Рис. 1 - Зависимость размера кластера от напряженности магнитного поля
При образовании зародыша новой фазы внутри матрицы свободная энергия системы, с одной стороны, уменьшается вследствие перехода некоторого объема исходной фазы в более устойчивое состояние, а с другой — увеличивается в результате образования новой поверхности раздела с избыточной поверхностной энергией и появления энергии упругой деформации в одной или обеих фазах ввиду разницы их удельных объемов.
По мнению Новикова И.И. [10] переход от одной фазы к другой происходит через промежуточное состояние с повышенной свободной энергией, большей, чем у исходной фазы. Таким образом, флуктуационное повышение энергии в группе атомов парамагнитной матричной фазы с параллельным расположением спинов может обеспечить в этих местах достижение значения работы образования критического зародыша.
В процессе превращений неферромагнитного аустенита с образованием ферромагнитных продуктов реакции (бейнит, мартенсит, ферритнокарбидная смесь) под действием внешнего магнитного поля происходит своеобразное магнитное расслоение исходной фазы, которое характеризуется образованием ансамбля ферромагнитноупорядоченных кластеров. Наличие этих микрообъемов приводит к флуктуационному повышению энергии в группе атомов матричной фазы с параллельным расположением электронных спинов, что обеспечивает снижение работы образования ферромагнитных зародышей критического размера и увеличивает скорость их образования. Это приводит к изменению кинетики превращений исходной неферромагнитной фазы, определяя своеобразное каталитическое действие магнитного поля в процессе реакции, продукты которой являются ферромагнитными.
Таким образом показано, что выше температуры Кюри в аустените могут существовать ферромагнитноупрядоченные нанокластеры размером не меньше критического для данного значения напряженности магнитного поля. Данные области могут быть местами предпочтительного зарождения мартенсита, кроме того они способны воспринимать энергию внешнего магнитного поля в виде магнитострикционных напряжений изменяя поля упругих сил в микрообъемах атомной решетки матрицы, что приводит к снижению энергии образования зародышевого центра критического размера. Приведенная зависимость критического размера нанокластера от напряженности магнитного поля (рис. 1), показывает - чем больше значение напряженности поля, тем меньше критический размер, что означает увеличение количества ферромагнитноупорядоченных нанокластеров, т.к. вероятность флуктуационного образования нанокластера меньшего размера выше. Указанные обстоятельства объясняют мультипликативное увеличение центров зарождения а-фазы под действием магнитного поля, что обуславливает более полное протекание мартенситного превращения
1. Pustovoit V.N., Dolgachev Y.V. Special features of the structure of martensite formed by hardening of steel in magnetic field in the temperature range of superplasticity of austenite // Metal Science and Heat Treatment. 2012. Т. 53. № 11-12. С. 515-519.
2. Пустовойт В.Н., Долгачев Ю.В. Технология бездеформационной закалки в магнитном поле тонкостенных деталей кольцевой формы // Вестник Донского государственного технического университета. 2011. Т. 11. № 7 (58). С. 1064-1071.
3. Пустовойт В.Н., Долгачев Ю.В., Рожкова В.М. Энергетические особенности образования зародышей мартенсита и кинетика гамма-альфа перехода при действии внешнего магнитного поля // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2015. № 5 (160). С. 131-135.
4. Пустовойт В.Н., Долгачев Ю.В. Зарождение мартенсита в условиях сверхпластичности аустенита и воздействия внешнего магнитного поля // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2016. № 2 (181). С. 114-120.
5. Пустовойт В.Н., Долгачёв Ю.В. Проблемы зарождения при мартенситном превращении в стали // Вестник Донского государственного технического университета. 2013. Т. 13. № 1-2 (70-71). С. 5-24.
6. Pustovoit V.N., Dombrovskii Yu.M., Dolgachev Yu.V. Structural identification of the phenomenon of "white zone" // Metal Science and Heat Treatment. 2017. Т. 59. № 1-2. С. 3-7.
7. Пустовойт В.Н., Долгачев Ю.В. К вопросу о местах зарождения мартенсита // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2014. № 23 (150). С. 110-114.
8. Пустовойт В.Н. Физические и технологические основы термической обработки в магнитном поле: автореферат диссертации на соискание степени доктора технических наук / Академия наук Белорусской ССР, Физико-технический институт. Минск, 1980.
9. Ромашев Л.Н. Магнитные свойства аустенита хромоникелевых сталей и мартенситное превращение под влиянием импульсного магнитного поля: Автореф.дис. канд.физ.-мат.наук. / Свердловск: ИФМ УНЦ АН СССР, 1977.22 с.
10. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1978, 390 с.
Список литературы
